EP2678579A1 - Bremsscheibe und deren herstellungsverfahren - Google Patents

Bremsscheibe und deren herstellungsverfahren

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EP2678579A1
EP2678579A1 EP11802282.1A EP11802282A EP2678579A1 EP 2678579 A1 EP2678579 A1 EP 2678579A1 EP 11802282 A EP11802282 A EP 11802282A EP 2678579 A1 EP2678579 A1 EP 2678579A1
Authority
EP
European Patent Office
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friction ring
ring surface
coating
base body
recesses
Prior art date
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Granted
Application number
EP11802282.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2678579B1 (de
Inventor
Ihsan Özer
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2678579A1 publication Critical patent/EP2678579A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2678579B1 publication Critical patent/EP2678579B1/de
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
    • F16D65/02—Braking members; Mounting thereof
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    • F16D65/127—Discs; Drums for disc brakes characterised by properties of the disc surface; Discs lined with friction material
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    • F16D2250/00—Manufacturing; Assembly
    • F16D2250/0038—Surface treatment
    • F16D2250/0046—Coating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2250/00—Manufacturing; Assembly
    • F16D2250/0092—Tools or machines for producing linings

Definitions

  • the invention relates to a brake disk for a motor vehicle and a production method, which in particular comprises a roughening of the friction ring surface of the brake disk.
  • Automotive brake discs which wear a coating to reduce the wear of the friction ring surface are known in the art.
  • DE 10 342 743 A1 describes a method for producing a brake disk for a vehicle as well as the brake disk itself, which comprises a base body which carries a wear-resistant layer at least in the region of the outer surface, which serves as a friction layer. Further, there is a region of a material for bonding between the main body and the wear-resistant outer layer, wherein the region of the material for bonding and the wear-resistant outer layer is formed as a gradual lentik whose composition changes in the layer thickness direction.
  • a brake disc which likewise has a base body which carries at least partially in the region of its outer surface a wear-resistant layer which serves as a friction layer.
  • An intermediate layer is provided as an adhesion-promoting layer and / or as a corrosion protection layer between the main body and the outer wear-resistant layer, which is applied by electroplating.
  • the application of the adhesion-promoting layer is associated with additional process steps and material costs, while the adhesion problem in the coated brake discs is still mostly not satisfactorily resolved. There is a risk that the coating, possibly together with intermediate layer dissolves or flakes off, since the most cohesive connection between the layers with each other and with the Reib perennialober Assembly does not form a sufficiently stable bond when the brake disc is heavily loaded during use.
  • attempts have been made to treat the friction ring surface mechanically or by laser patterning so as to increase the contact area.
  • EP 1336054 B1 which recommends the turning off of a brake disc blank by exactly the amount that is to assume a coating thickness, followed by cleaning of the brake disc of machining residues, such as mechanical, and subsequent roughening by irradiation with fine corundum or a blasting material with comparable properties.
  • Laser structuring the surface of a friction ring is a process that is quite time consuming, creates a high heat affected zone, and favors cratering at the edges of the component, thereby not providing satisfactory structuring of the friction ring surface.
  • the object is to provide an improved method for the treatment of a friction ring to make them better and more durable connectable with a protective coating.
  • Another object is to provide a brake disk which has an improved Has bond between a friction ring surface of the body and a protective coating.
  • the method according to the invention for producing a brake disk from a base body having a friction ring surface to be coated in a first embodiment provides the steps of first providing the base body and then roughening the friction ring surface by applying an electron beam to the friction ring surface is directed, that in the friction ring a defined number of recesses per square millimeter friction ring surface is generated.
  • the electron beam is adjusted with respect to its energy, direction and distance to the surface to be processed such that the arrangement of the depressions to each other takes place in a predetermined manner and each recess has a predetermined depth and shape.
  • etching to remove slag residues on the roughened surface may be omitted when the electron beam method is performed in an oxygen-free atmosphere or in a vacuum, for example. But even if this is not the case, and due to the presence of oxygen during the irradiation with oxygen, slags, etc. occur at the friction ring surface, an etching step is not necessary, since the subsequently performed coating application is such that any slag residues thereby either displaced or be incorporated into the structure.
  • a process-reliable and reproducible method for optimizing the friction-ring surface is advantageously created, which makes it possible, by mechanically enlarging the surface of the friction ring by two to six times, to bond it better with the material forming the coating.
  • the structuring process carried out with the electron beam advantageously requires only short cycle times and permits a subsequent optimized gradual structure of the coating.
  • the electron beam is a sharply focused and highly accelerated electron beam, which makes it possible to introduce the depressions on the friction ring surface with the desired number and shape.
  • the irradiation of the friction ring surface can take place under an oxygen-poor atmosphere, in particular in an inert gas atmosphere.
  • the subsequent application of the friction-ring surface coating which comprises hard materials in the form of carbides or oxide ceramics, to the brake disk base consisting of a metallic material, in particular gray cast iron, steel or aluminum alloy, is carried out by means of high-speed flame spraying, plasma spraying, cold gas spraying or electric arc wire spraying.
  • These application methods enable a coating directly after roughening by either displacing the slag residues that may be present or by incorporating them into the resulting microstructure.
  • the carbides or the oxide ceramic of the coating are bound by a binder phase or a matrix, which are formed by alloys based on chromium, nickel and / or iron. These include, in particular, chromium or chromium-nickel steels.
  • the brake disk provided by the method according to the invention from a base body with a friction ring surface provided with a coating consequently shows on the friction ring surface of the base body a predetermined number per square millimeter of electron-irradiated depressions which are introduced into the friction ring surface according to a predetermined arrangement relative to one another or even as a pattern are.
  • Each depression has a predetermined depth and shape.
  • the coating forms interlayer-free with the recesses of the friction ring a combined positive and cohesive connection.
  • the friction-ring surface is increased two to six times compared to a friction-ring surface without depressions.
  • the main body of the brake disc is made of a metallic material, with a gray cast iron being preferred, which can be processed particularly suitable in the manner according to the invention.
  • the coating of the friction ring surface has, based on its total weight of the coating,
  • oxide ceramics are selected, in particular magnesium oxide, zirconium dioxide,
  • Titanium dioxide and / or alumina-containing coatings Titanium dioxide and / or alumina-containing coatings.
  • the coating of the friction ring surface may also comprise an oxide ceramic and a metal matrix as a composite, wherein the oxide ceramic and the metal matrix in the ratio of 50 to 80% to 20 to 50%.
  • the metal matrix is formed, for example, from Cr / Ni steel.
  • 1 is a perspective view of a brake disc during the electron beam
  • 3a is a schematic side sectional view through two recesses in the with a
  • 3b is a schematic side sectional view through a recess in the with a
  • FIG. 4a is a schematic side sectional view of a provided with a coating friction ring according to the prior art
  • Fig. 4b is a schematic side sectional view of the provided with a coating
  • Friction ring surface according to the prior art with force vectors 5a is an electron micrograph of the friction ring with the wells according to an embodiment of the invention
  • 5b is an enlarged electron micrograph of the friction ring surface with the wells according to an embodiment of the invention.
  • the invention relates to a method for producing a brake disk from a base body 1, which has a friction ring surface 2, as shown in Fig. 1 can be seen.
  • a wear-resistant coating should be applied.
  • the friction ring surface 2 is roughened before coating by directing electron beams 5 onto the friction ring surface 2, by means of which a defined number of recesses 3 (which are shown in the electron micrographs of FIGS. 2 and 5 a) are provided in the friction ring surface 2 , b) are introduced per mm 2 friction ring surface 2, wherein the arrangement of the recesses 3 is predetermined to each other and wherein each recess 3 has a predetermined depth and shape.
  • the wear protection coating 4 is applied, which can be seen in FIGS. 3a and 3b.
  • the surface quality of the friction ring can thus be influenced by the specifically generated surface contours, their defined number and their precisely defined geometries, so that a desired surface geometry can be generated specifically for the friction ring to be coated.
  • the roughening of the friction ring surfaces 2 is effected by the directed electron beams 5 in the form of individual radiated electrons.
  • Electron beam processing is based on the energy conversion when the sharply focused and highly accelerated electron beam 5 impinges on the surface 2 to be patterned.
  • the electrons are decelerated when they strike the surface 2 interface, their kinetic energy being converted into heat energy in a focal spot.
  • the penetration depth of the electrons into the interface is a function of their velocity and thus of the acceleration voltage as well as the density of the applied material. Due to the high power density in the focal spot, the material is melted and partially evaporated within a few microseconds in this area. Due to the resulting vapor pressure, droplets of melt are displaced outward from the jet impact point.
  • the irradiation of the friction ring surface 2 can take place under an oxygen-poor atmosphere, in particular in an inert gas atmosphere.
  • the hitherto undefined mechanical connection between a coating and a friction ring surface could thereby be improved and optimized.
  • the method according to the invention provides process-reliable and reproducible surface optimization, wherein a better adhesion or mechanical connection between the brake disk main body 1 and the respective coating is achieved by a surface that is two to six times larger depending on the design of the surface structure.
  • the very fast structuring process allows very short cycle times as well as an optimized layer structure, such as a gradual structure of the coating.
  • a brake disk according to the invention is formed from the base body 1 and the coating 4 applied to the friction ring surface 2.
  • the main body 1 is made of a metallic material, for example gray cast iron.
  • Other basic body materials include steel or a light metal alloy, for example based on aluminum.
  • the coating 4 on the friction ring surface 2 consists of a hard material which acts as a wear protection material.
  • Suitable materials for this purpose are hard materials carbides and / or oxide ceramics.
  • cermets ceramic-metal composites
  • CMCs ceramic fiber composites
  • MMCs metal matrix composite materials with embedded hard material particles
  • An exemplary coating 4 refers to carbides of tungsten and / or chromium embedded in a metallic matrix of nickel, cobalt and / or chromium.
  • the toilet share here is in the range of 60 - 85%. (The percentages in%, unless otherwise stated, always means weight percent).
  • the proportion of metallic matrix that essentially serves to bind the entrapped carbides is in the range of 10 to 50%, preferably in the range of 15 to 25%.
  • alloy compositions with a high Co content are preferred for the metallic matrix, the coating in particular having proportions of 8-15% Co, 2-6% Cr and 0.001-3% Ni and optionally traces of other metals.
  • a typical preferred coating composition comprises 70-85% WC, 7-12% Co, 3-5% Cr, and 0.5-2% Ni, as well as impurities.
  • Another typical preferred coating composition comprises 75-85% WC, 7-12% Co, 3-5% Cr, and 0.001-1 Ni, as well as impurities.
  • Another embodiment of the coating 4 relates to a metal-bound carbide WC-Co-Cr-Ni, which has a composition of preferably about 10 wt .-% Co, preferably about 4 wt .-% Cr and preferably about 1 wt. -% Ni and the remainder WC.
  • Cr may also be at least partially bound as carbide in these coating compositions.
  • Another suitable for creating the wear protection coating metallic matrix is characterized by a high Ni content.
  • the essential constituents of this coating are WCs and Cr 3 C 2 as hard materials, which together account for 70-90% of the coating.
  • typical preferred coatings comprise tung compositions 65 30% Cr 3 C 2 and from 5 to 12% Ni and impurities or 70 - 75% WC, 18 - 22% Cr 3 C 2 and 5 - 8% Ni and impurities.
  • a preferred composition of such a coating WC-Cr 3 C 2 -Ni has a content of about 73 wt .-% WC, a share of about 20 wt .-% chromium carbide and a content of about 7 wt .-% nickel on.
  • a chromium steel other suitable carbide coatings can be created.
  • the hard materials essentially consist of Cr carbides.
  • the preferred steels have a chromium content of 12-22% by weight. However, 15 to 20% Cr are preferred.
  • the base body (1) made of a metallic material, in particular consists of a gray cast iron and the coating (4) of the friction ring surface (2) of oxide ceramic, in particular selected from the group Al 2 0 3 , Zr0 2 , MgO and / or Ti0 2 and metal, in particular Cr / Ni steel.
  • These coatings can preferably be applied to the friction ring surface by means of high-speed flame spraying, plasma spraying, cold gas spraying or electric arc wire spraying.
  • High-speed flame spraying is particularly suitable for producing a carbide coating.
  • Plasma spraying is suitable for producing a coating of ceramic, cermet or metal.
  • cold gas spraying and electric arc wire spraying are also suitable.
  • spray particles of the coating material are applied to the friction-ring surfaces 2 to be coated at a very high speed.
  • plasma spraying the coating material in powder form is introduced into a plasma gas stream, which is melted by the plasma and injected by the plasma gas stream onto the friction ring surfaces 2 to be coated.
  • the coating material in powder form is sprayed onto the friction ring surfaces 2 to be coated at very high speed.
  • the powdered coating material is thereby accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, it forms a dense and firmly adhering layer upon impact with the friction ring surfaces 2 to be coated, even without prior onset or melting.
  • the spray particles each have a high energy content, through which the cohesive bond with the friction ring surface comes about, while possibly on the friction ring surface existing slags or oxides are displaced or integrated into the resulting structure and therefore do not affect the adhesion of the coating to the friction ring or only to a small extent.
  • FIG. 2 shows a contour of a depression 3 produced in the surface 2 of a brake disk base body 1 made of cast iron GG-20 after the electron irradiation.
  • the depression 3 here has a diameter b of about 250 ⁇ m on the surface 2.
  • the depth a of the recess 3 is about 250 pm.
  • the surface was approximately doubled at this point by the dimensions of the recess: Instead of the circular area with the diameter b enters the mantle and base of the recess 3.
  • a mechanical clamping between the Friction ring surface 2 and the coating 4 and thus a significantly firmer connection can be achieved, whereby the adhesive strength of the coating 4 is significantly increased at the friction ring 2. This is illustrated in FIGS. 3a to 4b.
  • FIGS. 4a and 4b While in FIGS. 3a and 3b the stressing of the coating 4 on the friction ring surface optimized by the connections between coating 4 and friction ring surface 2 is shown in FIGS. 4a and 4b, the original direction of stress of a coating 4 according to the prior art Sketching technique that was determined during braking by shear forces F s due to the frictional forces occurring F R , which is substantially radially, or parallel to the friction ring in the circumferential direction.
  • the applied to the flat friction ring surface 2 of the brake disc without surface structuring according to the prior art coating 4 is thereby exposed to increased shear stress, which may favor a detachment of the coating 4.
  • FIG. 3 a shows a brake disk cutout with depressions 3 of predetermined depth, which are made in the friction ring surface 2 and have been produced by means of electron beams.
  • the then applied coating 4 engages in the recesses 3 and is thus material and positively connected to the friction ring surface.
  • 3b shows the force decomposition of the frictional force F R acting on the coating 4 during the braking process in a force vector F s and F N running perpendicular to and parallel to a wall of the recess 3.
  • the direction of stress now extends partially in a vertical direction, which reduces the shear stress and significantly increases the load capacity of the coating 4.
  • FIG. 5a shows an overview of a friction ring surface 2 having a plurality of depressions 3 produced according to the invention.
  • a depression density of approximately 4 depressions per mm 2 can be taken, which is arranged here in a diamond-forming pattern.
  • the arrangement of the recesses produced can be arbitrarily selected and designed by the high accuracy of the electron beam method.
  • FIG. 5 b shows an enlarged view of the friction ring surface 2 according to the invention from FIG. 5 a, which illustrates the arrangement of the depressions 3.
  • the pattern of the pits 3 may be regarded as dots created in parallel lines, the dots being arranged on a line with a certain distance from each other, and the dots of adjacent lines being offset from each other by half of the determined distance.
  • the distance of the lines from each other is chosen so that a point of a line is again arranged at a predetermined distance to a point of the other line.
  • the predetermined distance here has an average length of about 500 pm. This is an arrangement of the recesses 3 optimized with regard to an optimal connection between the coating 4 and the friction ring surface 2.
  • the roughening process according to the invention provides a maximum process speed by means of electron beams, while the electron beams provide the highest flexibility in the arrangement of the roughened surface contours.
  • the limit to be coated is significantly increased, whereby a significantly higher adhesion between the coating and friction ring surface is achieved.
  • the greater layer thicknesses produced in the regions of the depressions reduce the heat conduction of the friction surface formed by the wear protection layer into the brake disk base body and thus increase the overall heat resistance of the composite system.
  • an adhesion layer nor a heat insulating layer between wear protection layer and base body are necessary.
  • the original direction of stress (shear stress) in the coating can be converted into a normal force and shear stress. Furthermore, a gradual structure of the coating to be sharpened is ensured by the contour of the depressions after the electron beam. Thus, the risk of cracking in the relatively thick thermal coatings is almost impossible.
  • the solidification that takes place immediately after the thermal spraying of the coating causes very high residual stresses at larger layer thicknesses, which can subsequently cause cracks.
  • the gradual structure of the coating in the contour avoids this.
  • the brake disc according to the invention can be made low, since cost can be used as a material for the main body of the brake disc cast iron.
  • the coating provides the brake disc with a higher wear resistance. In addition, this can be achieved a weight reduction and a reduction in corrosion of the brake disc. Furthermore, the coating provides a uniform coefficient of friction of the brake disc and a reduction in braking occurring temperatures, whereby the so-called Bremsenfading, d. H. Failure of the brake due to overheating can be avoided. Finally, an increase in comfort can be achieved by a reduction in vibration and noise during braking achieved with the coating.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Grundkörper (1) der eine Reibringoberfläche (2) aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens des Grundkörpers (1) und des Aufrauens der Reibringoberfläche (2) durch Richten eines Elektronenstrahls (5) auf die Reibringoberfläche (2), wobei in der Reibringoberfläche (2) eine definierte Anzahl von Vertiefungen (3) pro mm2 Reibringoberfläche (2) erzeugt wird. Die Anordnung der Vertiefungen (3) zueinander ist dabei vorbestimmt und jede Vertiefung (3) weist eine vorbestimmte Tiefe und Form auf. Es folgt das Aufbringen einer Reibringoberflächebeschichtung (4) ohne Ausführung eines Ätzschrittes. Ferner eine entsprechende Bremscheibe ofenbart.

Description

Bremsscheibe und deren Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug und ein Herstellungsverfahren, das insbesondere eine Aufrauung der Reibringoberfläche der Bremsscheibe umfasst.
Kraftfahrzeug-Bremsscheiben, die zur Verringerung des Verschleißes der Reibringoberfläche eine Beschichtung tragen, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So beschreibt die DE 10 342 743 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie die Bremsscheibe selbst, die einen Grundkörper umfasst, der eine mindestens im Bereich der äußeren Oberfläche verschleißfeste Schicht trägt, die als Reibschicht dient. Ferner liegt ein Bereich aus einem Material zur Haftvermittlung zwischen dem Grundkörper und der verschleißfesten äußeren Schicht vor, wobei der Bereich aus dem Material zur Haftvermittlung und die verschleißfeste äußere Schicht als Graduel- lenschicht ausgebildet ist, deren Zusammensetzung sich in Schichtdickenrichtung ändert.
Ferner ist aus der DE 10 2004 016 098 A1 eine Bremsscheibe bekannt, die ebenfalls einen Grundkörper aufweist, der mindestens partiell im Bereich seiner äußeren Oberfläche eine verschleißfeste Schicht trägt, die als Reibschicht dient. Eine Zwischenschicht ist als haftvermittelnde Schicht und/oder als Korrosionsschutzschicht zwischen dem Grundkörper und der äußeren verschleißfesten Schicht vorgesehen, die galvanisch aufgebracht wird.
Das Aufbringen der haftvermittelnden Schicht ist mit zusätzlichen Prozessschritten und Materialaufwand verbunden, dabei wird das Haftungsproblem bei den beschichteten Bremsscheiben dennoch zumeist nicht zufriedenstellend gelöst. Es besteht die Gefahr, dass sich die Beschichtung, gegebenenfalls samt Zwischenschicht löst bzw. abplatzt, da die meist stoffschlüssige Verbindung zwischen den Schichten untereinander und mit der Reibflächenoberfläche keine hinreichend beständige Bindung bildet, wenn die Bremsscheibe bei Benutzung stark belastet wird. Um die Kontaktfläche zwischen der Reibringoberfläche und einer schützenden Beschich- tung daher zu verbessern, wurden bereits Bestrebungen unternommen, die Reibringoberfläche mechanisch oder durch Laserstrukturieren so zu behandeln, dass die Kontaktfläche vergrößert wird.
Das mechanische Behandeln wird in der EP 1336054 B1 aufgegriffen, die das Abdrehen eines Bremsscheibenrohlings um genau den Betrag empfiehlt, den eine Beschichtungs- dicke einnehmen soll, gefolgt vom Reinigen der Bremsscheibe von Bearbeitungsrückständen, etwa mechanisch, und anschließendem Aufrauen durch Bestrahlen mit feinem Korund oder einem Strahlgut mit vergleichbaren Eigenschaften.
Laserstrukturieren der Oberfläche eines Reibrings ist ein Prozess, der recht zeitaufwendig ist, eine hohe Wärmeeinflusszone schafft und Kraterbildungen an den Rändern des Bauteils begünstigt, so dass hierdurch keine zufriedenstellende Strukturierung der Reibringoberfläche geschaffen wird.
Grundsätzlich wird das Behandeln von Oberflächen metallischer Werkstücke, die mit Schichten aus Metall, Kunststoff oder Gummi überzogen werden sollen, schon in der Offenlegungsschrift DE 2 318 098 adressiert: Dort wird aufgegriffen, dass diese Werkstücke vielfach vor dem Aufbringen der Beschichtung aufgeraut oder chemisch etwa durch Ätzen präpariert werden müssen, wobei eine nachteilig nicht gleichmäßige Oberflächenstruktur entsteht. Dieser Nachteil soll durch den Einsatz von Elektronenstrahlen überwunden werden, da durch mehr oder weniger hohe Energiezufuhr und Bündelung der Elektronenstrahlung eine Aufrauung oder gar Aufschmelzen bestimmter Dickenbereiche und -zonen der Oberfläche erreicht werden kann, wobei durch Behandlung in Sauerstoff-haltiger Atmosphäre Oxide und Schlacken entstehen, die die Hafteigenschaften der vergrößerten Oberfläche wieder beeinträchtigen und daher nach der Elektronen- Strahlbehandlung mit ausgewählten Chemikalien abgereinigt, insbesondere abgeätzt werden müssen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Behandlung einer Reibringoberfläche zu schaffen, um diese mit einer Schutzbeschichtung besser und dauerhafter verbindbar zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiter ergibt sich die Aufgabe, eine Bremsscheibe zu schaffen, die eine verbesserte Ver- bindung zwischen einer Reibringoberfläche des Grundkörpers und einer Schutzbeschich- tung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Grundkörper, der eine Reibringoberfläche aufweist, die mit einer Beschichtung zu versehen ist, sieht in einer ersten Ausführungsform die Schritte vor, zunächst den Grundkörper bereitzustellen und sodann die Reibringoberfläche aufzurauen, indem ein Elektronenstrahl derart auf die Reibringoberfläche gerichtet wird, dass dabei in der Reibringoberfläche eine definierte Anzahl von Vertiefungen pro Quadratmillimeter Reibringoberfläche erzeugt wird. Dabei ist der Elektronenstrahl hinsichtlich seiner Energie, Richtung und Beabstan- dung zur zu bearbeitenden Oberfläche derart eingestellt, dass die Anordnung der Vertiefungen zueinander auf vorbestimmte Weise erfolgt und jede Vertiefung eine vorbestimmte Tiefe und Form aufweist.
Ohne dass ein Ätzschritt oder ein sonstiger Reinigungs- oder Zwischenschritt ausgeführt werden muss, kann nun das Aufbringen einer Reibringoberflächenbeschichtung erfolgen. So kann ein Ätzen zur Entfernung von Schlackerückständen auf der aufgerauten Oberfläche entfallen, wenn das Elektronenstrahlverfahren etwa in einer sauerstofffreien Atmosphäre oder im Vakuum durchgeführt wird. Aber selbst wenn dies nicht der Fall ist, und aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff während der Bestrahlung mit Sauerstoff Schlacken etc. an der Reibringoberfläche entstehen, ist ein Ätzschritt nicht erforderlich, da die nachfolgend durchgeführte Beschichtungsaufbringung derart ist, dass eventuell vorhandene Schlackenrückstände hierdurch entweder verdrängt oder mit ins Gefüge eingebaut werden.
So wird vorteilhaft ein prozesssicheres und reproduzierbares Verfahren zur Optimierung der Reibringoberfläche geschaffen, die es ermöglicht, durch die um das zwei- bis sechsfache vergrößerte Oberfläche des Reibrings durch mechanisches Verklammern besser mit dem die Beschichtung ausbildenden Material zu verbinden. Der mit dem Elektronenstrahl ausgeführte Strukturiervorgang erfordert dabei vorteilhaft nur kurze Taktzeiten und erlaubt einen anschließenden optimierten graduellen Aufbau der Beschichtung. Dazu ist der Elektronenstrahl ein scharf gebündelter und hoch beschleunigter Elektronenstrahl, der es erlaubt, die Vertiefungen auf der Reibringoberfläche mit gewünschter Anzahl und Form einzubringen. Zur Vermeidung der Schlackenentstehung an der Reibringoberfläche kann, wie oben bereits erwähnt, die Bestrahlung der Reibringoberfläche unter einer sauerstoffarmen Atmosphäre, insbesondere in Inertgasatmosphäre, erfolgen.
Das anschließende Aufbringen der Reibringoberflächenbeschichtung, die Hartstoffe in der Form von Carbiden oder Oxid-Keramiken aufweist, auf den Bremsscheibengrundkör- per, der aus einem metallischen Werkstoff wie insbesondere Grauguss, Stahl oder Aluminiumlegierung besteht, erfolgt mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder durch Lichtbogendrahtspritzen. Diese Aufbringverfahren ermöglichen eine Beschichtung direkt nach der Aufrauung, indem die eventuell vorhandenen Schlackenrückstände entweder verdrängt oder mit ins entstehende Gefüge eingebaut werden.
Die Karbide oder die Oxid-Keramik der Beschichtung liegen dabei durch eine Binderphase oder eine Matrix gebunden vor, die durch Legierungen auf der Basis von Chrom, Nickel und/oder Eisen gebildet sind. Hierzu zählen insbesondere auch Chrom- oder Chrom-Nickel-Stähle.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschaffene Bremsscheibe aus einem Grundkörper mit einer Reibringoberfläche, die mit einer Beschichtung versehen ist, zeigt folglich an der Reibringoberfläche des Grundkörpers eine vorbestimmte Anzahl pro Quadratmillimeter elektronengestrahlter Vertiefungen, die gemäß einer vorbestimmten Anordnung zueinander oder sogar als Muster in die Reibringoberfläche eingebracht sind. Jede Vertiefung hat eine vorbestimmte Tiefe und Form. Vorteilhaft bildet dann die Beschichtung zwischenschichtfrei mit den Vertiefungen der Reibringoberfläche eine kombinierte form- und stoffschlüssige Verbindung.
Durch die Vertiefungen und als Funktion von deren Anzahl, Form und Tiefe ergibt sich eine um das Zwei- bis Sechsfache vergrößerte Reibringoberfläche, verglichen mit einer Reibringoberfläche ohne Vertiefungen.
Der Grundkörper der Bremsscheibe besteht aus einem metallischen Werkstoff, wobei ein Grauguss bevorzugt ist, der sich besonders geeignet auf die erfindungsgemäße Weise bearbeiten lässt. Die Beschichtung der Reibringoberfläche weist, bezogen auf ihr Gesamtgewicht der Beschichtung,
- 70 - 85 Gew.-% WC, 7 -12 Gew.-% Co, 3 - 5 Gew.-% Cr, 0,5 -2 Gew.-% Ni, oder - 75 - 85 Gew.-% WC, 7 -12 Gew.-% Co, 3 - 5 Gew.-% Cr, 0,001 bis 1 Gew.-% Ni, oder - 65 - 85 Gew.-% WC, 15 - 30 Gew.-% Cr3C2, 5 -12 Gew.-% Ni, oder
- 70 - 75 Gew.-% WC, 18 - 22 Gew.-% Cr3C2, 5 - 8 Gew.-% Ni,
sowie Verunreinigungen auf.
Bei den oben genannten Keramiken in der Beschichtung der Reibringoberfläche werden etwa Oxid-Keramiken gewählt, insbesondere Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid-,
Titandioxid- und/oder Aluminiumoxid-haltige Beschichtungen.
Die Beschichtung der Reibringoberfläche kann auch eine Oxid-Keramik und eine Metallmatrix als Verbundwerkstoff aufweisen, wobei die Oxid-Keramik und die Metallmatrix im Verhältnis von 50 - 80% zu 20 - 50% vorliegen. Die Metallmatrix ist beispielweise aus Cr/Ni-Stahl gebildet.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Bremsscheibe während des Elektronen- Strahlens,
Fig. 2 eine elektronenmikroskopische Querschnittsansicht von einer Vertiefung,
Fig. 3a eine schematische Seitenschnittansicht durch zwei Vertiefungen in der mit einer
Beschichtung versehenen Reibringoberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3b eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Vertiefung in der mit einer
Beschichtung versehenen Reibringoberfläche mit Kraftvektoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4a eine schematische Seitenschnittansicht einer mit einer Beschichtung versehenen Reibringoberfläche nach Stand der Technik,
Fig. 4b eine schematische Seitenschnittansicht der mit einer Beschichtung versehenen
Reibringoberfläche nach Stand der Technik mit Kraftvektoren, Fig. 5a eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Reibringoberfläche mit den Vertiefungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5b eine vergrößerte elektronenmikroskopische Aufnahme der Reibringoberfläche mit den Vertiefungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Grundkörper 1 , der eine Reibringoberfläche 2 aufweist, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Auf die Reibringoberfläche 2 soll eine verschleißfeste Beschichtung aufgebracht werden. Damit diese besser haftet, wird die Reibringoberfläche 2 vor dem Beschichten aufgeraut, indem Elektronenstrahlen 5 auf die Reibringoberfläche 2 gerichtet werden, mittels derer in der Reibringoberfläche 2 eine definierte Anzahl von Vertiefungen 3 (die in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen aus Fig. 2 und Fig. 5a,b zu sehen sind) pro mm2 Reibringoberfläche 2 eingebracht wird, wobei die Anordnung der Vertiefungen 3 zueinander vorbestimmt ist und wobei jede Vertiefung 3 eine vorbestimmte Tiefe und Form aufweist.
Danach wird, ohne die aufgeraute Reibringoberfläche einem Ätzschritt zu unterziehen, die Verschleißschutzbeschichtung 4 aufgebracht, die in Fig. 3a und 3b zu sehen ist. Die Oberflächenqualität des Reibrings kann somit sich durch die gezielt erzeugten Oberflächenkonturen, deren definierte Anzahl und deren genau definierten Geometrien beein- flusst werden, so dass eine gewünschte Oberflächengeometrie gezielt für den zu beschichtenden Reibring erzeugt werden kann.
Das Aufrauen der Reibringoberflächen 2 erfolgt durch die gerichteten Elektronenstrahlen 5 in Form einzelner gestrahlten Elektronen. Die Elektronenstrahlbearbeitung basiert auf der Energieumsetzung beim Auftreffen des scharf gebündelten und hoch beschleunigten Elektronenstrahls 5 auf die zu strukturierende Oberfläche 2. Die Elektronen werden beim Auftreffen an der Grenzfläche der Oberfläche 2 abgebremst, wobei ihre kinetische Energie in einem Brennfleck in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Eindringtiefe der Elektronen in die Grenzfläche ist eine Funktion ihrer Geschwindigkeit und somit der Beschleunigungsspannung sowie der Dichte des beaufschlagten Materials. Durch die hohe Leistungsdichte im Brennfleck wird in diesem Bereich das Material innerhalb weniger Mikro- sekunden aufgeschmolzen und zum Teil verdampft. Durch den entstehenden Dampfdruck werden Schmelzetröpfchen vom Strahlauftreffpunkt nach Außen verdrängt. Wird der Elektronenstrahl unmittelbar nach dem Durchdringen des Werkstücks abgeschaltet, so bleibt eine Kapillare bestehen. Zur Vermeidung von Oxid- und Schlackenbildung im Bereich um den Brennfleck kann die Bestrahlung der Reibringoberfläche 2 unter einer sauerstoffarmen Atmosphäre, insbesondere in Inertgasatmosphäre erfolgen.
Die mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen auf die die Reibringoberfläche 2 des Grundkörpers 1 aufgebrachte Beschichtung 4 bildet dann zwischenschichtfrei mit der durch die Vertiefungen 3 aufgerauten Reibringoberfläche 4 eine kombinierte form- und stoffschlüssige Verbindung.
Somit, und dadurch, dass die relativ geringe Kontaktfläche zwischen der Beschichtung 4 und der Reinbringoberfläche 2 erhöht wurde, kann die Enthaftungs- bzw. Abplatzgefahr der Beschichtung 4 verringert werden. Die bislang Undefinierte mechanische Verbindung zwischen einer Beschichtung und einer Reibringoberfläche konnte dadurch verbessert und optimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine prozesssichere und reproduzierbare Oberflächenoptimierung bereit, wobei durch eine je nach Auslegung der Oberflächenstruktur zwei- bis sechsfach vergrößerte Oberfläche eine bessere Haftung, bzw. mechanische Verbindung zwischen dem Bremsscheibengrundkörper 1 und der jeweiligen Beschichtung erzielt wird. Zudem ermöglicht der sehr schnelle Strukturiervorgang sehr kurze Taktzeiten sowie einen optimierten Schichtaufbau wie etwa einen graduellen Aufbau der Beschichtung.
Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe wird aus dem Grundkörper 1 und der auf die Reibringoberfläche 2 aufgebrachten Beschichtung 4 gebildet. Der Grundkörper 1 ist aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Grauguss. Als weitere Grundkörper- Werkstoffe kommen auch Stahl oder eine Leichtmetalllegierung beispielsweise auf Aluminiumbasis in Frage. Die Beschichtung 4 auf der Reibringoberfläche 2 besteht aus einem harten Material, welches als Verschleißschutzmaterial wirkt. Dafür geeignete Materialien sind Hartstoffe Carbide und/oder Oxid-Keramik. So eignen sich als Verschleißschutzbe- schichtung einer Reibringoberfläche auch Cermets (Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe), CMCs (keramische Faserverbundwerkstoffe) und MMCs (Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit eingebetteten Hartstoffpartikeln), die neben dem Verschleißschutz auch hervorragende tribologische Eigenschaften aufweisen.
Eine beispielhafte Beschichtung 4 bezieht sich auf in einer metallischen Matrix aus Nickel, Cobalt und/oder Chrom eingelagerte Carbide aus Wolfram und/oder aus Chrom. Der WC-Anteil liegt hier im Bereich von 60 - 85 %. (Unter den Angaben in % sind, soweit nichts anderes angegeben, ist immer Gewichtsprozent zu verstehen).
Der Anteil an metallischer Matrix, die im Wesentlichen dazu dient, die eingeschlossenen Carbide zu binden, liegt im Bereich von 10 - 50 %, bevorzugt im Bereich von 15 - 25 %.
Dabei sind für die metallische Matrix insbesondere Legierungszusammensetzungen mit einem hohen Co-Anteil bevorzugt, wobei die Beschichtung insbesondere Anteile von 8 - 15 % Co, 2 - 6 % Cr und 0,001 - 3 % Ni sowie gegebenenfalls Spuren weiterer Metalle aufweist.
Eine typische bevorzugte Beschichtungszusammensetzung umfasst 70 - 85 % WC, 7 - 12 % Co, 3 - 5 % Cr und 0,5 - 2 % Ni, sowie Verunreinigungen. Eine weitere typische bevorzugte Beschichtungszusammensetzung umfasst 75 - 85 % WC, 7 - 12 % Co, 3 - 5 % Cr und 0,001 bis 1 Ni, sowie Verunreinigungen.
Eine weitere Ausführungsform der Beschichtung 4 bezieht sich auf ein metallgebundenes Carbid WC-Co-Cr-Ni, das eine Zusammensetzung aus vorzugsweise ca. 10 Gew.-% Co, vorzugsweise ca. 4 Gew.-% Cr und vorzugsweise ca. 1 Gew.-% Ni und dem Rest WC aufweist.
Dabei kann in diesen Beschichtungs-Zusammensetzungen auch Cr zumindest teilweise als Carbid gebunden vorliegen.
Eine weitere zur Schaffung der Verschleißschutzbeschichtung gut geeignete metallische Matrix ist durch einen hohen Ni-Gehalt geprägt. Als wesentliche Bestandteile dieser Beschichtung treten als Hartstoffe WC und Cr3C2 auf, die zusammen einen Anteil von 70 - 90 % der Beschichtung ausmachen.
Für diese Art Verschleißschutzbeschichtung umfassen typische bevorzugte Beschich- tungszusammensetzungen 65 - 85 % WC, 15 - 30 % Cr3C2 und 5 - 12 % Ni sowie Verunreinigungen oder 70 - 75 % WC, 18 - 22 % Cr3C2 und 5 - 8 % Ni sowie Verunreinigungen.
Eine bevorzugte Zusammensetzung einer derartigen Beschichtung WC-Cr3C2-Ni weist einen Anteil von ca. 73 Gew.-% WC, einen Anteil von ca. 20 Gew.-% Chromcarbid und einen Anteil von ca. 7 Gew.-% Nickel auf. Auch aus einem Chromstahl können weitere geeignete Carbid-Beschichtungen geschaffen werden. Dabei bestehen die Hartstoffe im Wesentlichen aus Cr-Carbiden. Die bevorzugten Stähle weisen einen Chromanteil von 12 - 22 Gew.-% auf. Bevorzugt sind jedoch 15 - 20 % Cr.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht der Grundkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Grauguss besteht und die Beschichtung (4) der Reibringoberfläche (2) aus Oxidkeramik, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Al203, Zr02, MgO und/oder Ti02 und Metall, insbesondere Cr/Ni-Stahl.
Diese Beschichtungen lassen sich vorzugsweise mittels Hochgeschwindigkeitsflammsprit- zen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen auf die Reibringoberfläche aufbringen. Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eignet sich besonders zur Erzeugung einer Carbid-Beschichtung. Das Plasmaspritzen ist zur Erzeugung einer Beschichtung aus Keramik, Cermet oder Metall geeignet. Zur Erzeugung der Beschichtung aus Metall kommen auch das Kaltgasspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen in Frage.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen werden Spritzpartikel des Beschichtungswerkstoffs mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtenden Reibringoberflächen 2 aufgebracht. Beim Plasmaspritzen wird in einen Plasmagasstrom der Beschichtungswerkstoff in Pulverform eingebracht, welcher durch das Plasma aufgeschmolzen und durch den Plasmagasstrom auf die zu beschichtenden Reibringoberflächen 2 aufgespritzt wird.
Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtenden Reibringoberflächen 2 aufgespritzt. Der pulver- förmige Beschichtungswerkstoff wird dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass er im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf die zu beschichtenden Reibringoberflächen 2 eine dichte und fest haftende Schicht bildet.
Beim Lichtbogendrahtspritzen werden mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzene Spritzpartikel des Beschichtungswerkstoffs mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtenden Reibringoberflächen 2 aufgespritzt.
Die Spritzpartikel weisen jeweils einen hohen Energiegehalt auf, durch den der stoffschlüssige Verbund mit der Reibringoberfläche zustande kommt, während eventuell auf der Reibringoberfläche vorhandene Schlacken oder Oxide verdrängt oder mit in das entstehende Gefüge integriert werden und daher die Haftung der Beschichtung an der Reibringoberfläche nicht oder nur in geringem Ausmaß beeinträchtigen.
In Fig. 2 ist eine nach der Elektronenbestrahlung erzeugte Kontur einer Vertiefung 3 in der Oberfläche 2 eines Bremsscheibengrundkörpers 1 aus einem Grauguss GG-20 zu sehen. Die Vertiefung 3 hier weist an der Oberfläche 2 einen Durchmesser b von ca. 250 pm auf. Auch die Tiefe a der Vertiefung 3 beträgt ca. 250 pm. Die Oberfläche wurde an dieser Stelle durch die Abmessungen der Vertiefung etwa verdoppelt: Anstelle der Kreisfläche mit dem Durchmesser b tritt die Mantel- und Grundfläche der Vertiefung 3. Durch eine Vielzahl solcher Vertiefungen 3 kann außer dem Stoffschluss durch die Aufbringungsart zusätzlich eine mechanische Klammerung zwischen der Reibringoberfläche 2 und der Beschichtung 4 und damit eine deutlich festere Verbindung erzielt werden, wodurch auch die Haftfestigkeit der Beschichtung 4 an der Reibringoberfläche 2 deutlich erhöht wird. Verdeutlicht wird dies in den Fig. 3a bis 4b.
Während in Figuren 3a und 3b die durch die erfindungsgemäß ausgeführte Anbindung zwischen Beschichtung 4 und Reibringoberfläche 2 durch die Vertiefungen 3 optimierte Beanspruchung der Beschichtung 4 an der Reibringoberfläche 2 dargestellt ist, ist in Figuren 4a und 4b die ursprüngliche Beanspruchungsrichtung einer Beschichtung 4 nach dem Stand der Technik skizziert, die während des Bremsens durch Scherkräfte Fs aufgrund der auftretenden Reibkräfte FR bestimmt wurde, die im Wesentlichen radial, bzw. parallel zur Reibringoberfläche in Umfangsrichtung ist. Die auf die ebene Reibringoberfläche 2 der Bremsscheibe ohne Oberflächenstrukturierung nach Stand der Technik aufgebrachte Beschichtung 4 ist dadurch verstärkter Scherbeanspruchung ausgesetzt, die ein Ablösen der Beschichtung 4 begünstigen kann.
Fig. 3a zeigt einen Bremsscheibenausschnitt mit in die Reibringoberfläche 2 eingebrachten Vertiefungen 3 vorbestimmter Tiefe, die mittels Elektronenstrahlen hergestellt wurden. Die daraufhin aufgebrachte Beschichtung 4 greift in die Vertiefungen 3 ein und ist damit stoff- und formschlüssig mit der Reibringoberfläche verbunden. Fig. 3b zeigt die Kraftzerlegung der während des Bremsvorgangs an der Beschichtung 4 angreifenden Reibkraft FR in einen senkrecht und einen parallel zu einer Wand der Vertiefung 3 verlaufenden Kraftvektor Fs und FN. Je nach erzeugter Konturgeometrie der Vertiefung 3 verläuft nun die Beanspruchungsrichtung teilweise in einer senkrechten Richtung, was die Scherbeanspruchung vermindert und insgesamt die Belastbarkeit der Beschichtung 4 deutlich erhöht. Fig. 5a zeigt eine Übersichtsaufnahme einer gemäß der Erfindung erzeugten Reibringoberfläche 2 mit einer Vielzahl von Vertiefungen 3. Mit dem angegebenen Maßstab von 2 mm ist eine Vertiefungsdichte von etwa 4 Vertiefungen pro mm2 zu entnehmen, die hier in einem Rauten bildenden Muster angeordnet sind. Die Anordnung der erzeugten Vertiefungen kann durch die hohe Genauigkeit des Elektronenstrahl-Verfahrens beliebig gewählt und ausgelegt werden.
In Fig. 5b ist eine vergrößerte Ansicht der gemäß der Erfindung erzeugten Reibringoberfläche 2 aus Fig. 5a zu sehen, die die Anordnung der Vertiefungen 3 verdeutlicht. Das Muster der Vertiefungen 3 kann als in parallelen Linien erzeugte Punkte betrachtet werden, wobei die Punkte auf einer Linie mit einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, und wobei die Punkte benachbarter Linien jeweils um die Hälfte des bestimmten Abstands versetzt zueinander angeordnet sind. Der Abstand der Linien voneinander ist dabei so gewählt, dass ein Punkt der einen Linie auch wieder im vorbestimmten Abstand zu einem Punkt der anderen Linie angeordnet ist. Der vorbestimmte Abstand weist hier eine mittlere Länge von etwa 500 pm auf. Hier handelt es sich um eine in Hinblick auf eine optimale Anbindung zwischen der Beschichtung 4 und Reibringoberfläche 2 optimierte Anordnung der Vertiefungen 3.
Zusammenfassend erbringt das erfindungsgemäße Aufrauverfahren mittels Elektronenstrahlen eine höchste Prozessgeschwindigkeit, während durch das Elektronenstrahlen eine höchste Flexibilität bei der Anordnung der aufgerauten Oberflächenkonturen ermöglicht wird. Die zu beschichtende Grenzfache wird deutlich erhöht, wodurch eine deutlich höhere Haftung zwischen der Beschichtung und Reibringoberfläche erreicht wird.
Durch die in den Bereichen der Vertiefungen erzeugten größeren Schichtdicken wird die Wärmeleitung von der von der Verschleißschutzschicht gebildeten Reibfläche in den Bremsscheibengrundkörper reduziert und damit die allgemeine Wärmebeständigkeit des Verbundsystems erhöht. Somit sind weder eine Haftungsschicht noch eine Wärmeisolierschicht zwischen Verschleißschutzschicht und Grundkörper notwendig.
Durch die gewählte Geometrie der Vertiefungen kann die ursprüngliche Beanspruchungsrichtung (Scherbeanspruchung) in der Beschichtung in eine Normalkraft- und Scherbeanspruchung umgesetzt werden. Ferner ist ein gradueller Aufbau der zu spitzenden Beschichtung durch die Kontur der Vertiefungen nach dem Elektronenstrahlen gewährleistet. So ist auch die Rissgefahr bei den relativ dicken thermischen Beschichtungen nahezu ausgeschlossen. Die unmittelbar nach dem thermischen Spritzen der Beschichtung stattfindende Erstarrung verursacht sehr hohe Eigenspannungen bei größeren Schichtdicken, die in Folge Risse hervorrufen können. Der graduelle Aufbau der Beschichtung in der Kontur vermeidet dies.
So kann durch die ausgelegte Anordnung der Vertiefungen bzw. durch das Ausgleichen der Spannungsspitzen in der Beschichtung auch die mögliche Rissbildung bei höheren Bremsbeanspruchungen vermindert werden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Bremsscheibe günstig hergestellt werden, da als Material für den Grundkörper der Bremsscheibe kostengünstiger Grauguss verwendet werden kann. Die Beschichtung versieht die Bremsscheibe mit einer höheren Verschleißfestigkeit. Zudem kann dadurch eine Gewichtsreduzierung und eine Korrosionsreduzierung der Bremsscheibe erreicht werden. Ferner bietet die Beschichtung einen gleichmäßigen Reibwert der Bremsscheibe und eine Reduzierung beim Bremsen auftretender Temperaturen, wodurch das so genannte Bremsenfading, d. h. ein Ausfall der Bremse aufgrund Überhitzung vermieden werden kann. Schließlich kann durch eine mit der Beschichtung erzielte Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen beim Bremsen eine Komfortsteigerung erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Grundkörper (1 ), der eine Reibringoberfläche (2) aufweist,
umfassend die Schritte
- Bereitstellen des Grundkörpers (1) und Aufrauen der Reibringoberfläche (2) durch Richten eines Elektronenstrahls (5) auf die Reibringoberfläche (2), dabei Erzeugen in der Reibringoberfläche (2) einer definierten Anzahl von Vertiefungen (3) pro mm2 Reibringoberfläche (2), wobei die Anordnung der Vertiefungen (3) zueinander vorbestimmt ist und wobei jede Vertiefung (3) eine vorbestimmte Tiefe und Form aufweist,
- ohne Ausführung eines Ätzschrittes Aufbringen einer Reibringoberflächenbe- schichtung (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektronenstrahl (5) ein scharf gebündelter und hoch beschleunigter Elektronenstrahl (5) ist und dass die Bestrahlung der Reibringoberfläche (2) unter einer sauerstoffarmen Atmosphäre, insbesondere in Inertgasatmosphäre erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbringen der Reibringoberflächenbeschichtung (4) mittels Hochgeschwindig- keitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen erfolgt.
4. Bremsscheibe aus einem Grundkörper (1) mit einer Reibringoberfläche (2), die mit einer Beschichtung (4) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reibringoberfläche (2) des Grundkörpers (1) eine vorbestimmte Anzahl pro mm2 elektronengestrahlter Vertiefungen (3) aufweist, die gemäß einer vorbestimmten Anordnung zueinander auf der Reibringoberfläche (2) vorliegen, und wobei jede Vertiefung (3) eine vorbestimmte Tiefe und Form aufweist, und wobei die Beschichtung (4) zwischenschichtfrei mit den Vertiefungen (3) der Reibringoberfläche (4) eine kombinierte form- und stoffschlüssige Verbindung bildet.
Bremsscheibe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl, die Form und die Tiefe der Vertiefungen (3) eine um das 2-6-facher vergrößerte Reibringoberfläche (2) im Vergleich zu einer Reibringoberfläche (2) ohne Vertiefungen aufweist.
Bremsscheibe nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Grauguss besteht, und die Beschichtung (4) der Reibringoberfläche (2), bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung,
- 70 - 85 Gew.-% WC, 7 -12 Gew.-% Co, 3 - 5 Gew.-% Cr, 0,5 - 2 Gew.-% Ni, oder
- 75 - 85 Gew.-% WC, 7 -12 Gew.-% Co, 3 - 5 Gew.-% Cr, 0,001 - 1 Gew.-% Ni, oder
- 65 - 85 Gew.-% WC, 15 - 30 Gew.-% Chromcarbid, insbesondere Cr3C2, , 5 -12 Gew.-% Ni, oder
- 70 - 75 Gew.-% WC, 18 - 22 Gew.-%, 5 - 8 Gew.-% Ni,
sowie Verunreinigungen aufweist.
Bremsscheibe nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Grauguss besteht, und die Beschichtung (4) der Reibringoberfläche (2) aus Oxidkeramik, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Al203, Zr02, MgO und/oder Ti02 und Metall, insbesondere Cr/Ni-Stahl, besteht.
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